¿Qué diferencia a un convertidor A/D integrado de uno autónomo y cuál es el mejor para mi aplicación?

Este artículo explica en qué se diferencian las funciones analógicas integradas y autónomas en el diseño y las pruebas, y lo que esto significa en cuanto a especificaciones, variaciones del dispositivo y robustez. Dado que las funciones analógicas son muy diversas y que el convertidor A/D (ADC) constituyen la base de cualquier diseño de señal mixta, nos centraremos en los ADC.

Los complejos sistemas distribuidos actuales adquieren y analizan más datos analógicos además de ofrecer capacidades de monitorización y diagnóstico. Dado que estos sistemas son cada vez más complejos, sigue aumentando la necesidad de medir señales analógicas con exactitud. Para cumplir mejor estos requisitos de precisión, a menudo los diseñadores se ven ante la disyuntiva de escoger entre un microcontrolador con un ADC integrado o un ADC autónomo. ¿Qué diferencia, por tanto, a un ADC integrado de uno autónomo y cuál es el mejor para su aplicación?

Estudiemos en primer lugar el rendimiento de los ADC integrados y autónomos con el fin de determinar cómo se puede tomar la elección correcta para cada aplicación.

ADC integrados: factores del rendimiento

Tecnología de proceso

Veamos el ADC desde el punto de vista del circuito integrado semiconductor utilizado en el diseño del ADC integrado. Dado que el ADC es un periférico del microcontrolador, el diseñador de un ADC integrado tenderá a utilizar un proceso adecuado para el microcontrolador, como un proceso de 28 nanómetros que ofrece una buena densidad digital y transistores de alta velocidad para el microcontrolador. Si bien un proceso de geometría reducida como este también podría disminuir el tamaño del ADC, hay que tener en cuenta varios factores:

• El coste relativo del ADC se verá incrementado debido al coste sustancialmente más elevado del proceso.
• El tamaño de los componentes disponibles en el proceso aumentará el ruido inherente del ADC, y en concreto el ruido térmico o ruido kT/C.
• Los condensadores más grandes que reducen el ruido térmico en los ADC limitarán de manera significativa el uso de procesos con geometrías más pequeñas (desde un punto de vista geométrico es más difícil implementar los componentes necesarios para el rendimiento analógico en geometrías más reducidas).
• Los condensadores con geometrías más pequeñas aumentarán las fugas y afectarán a la linealidad del diseño.
• El ajuste de elementos no tan controlados como en procesos con geometrías más grandes como 90 o 180 nanómetros conllevará una falta de control en el proceso de fabricación y provocará variaciones en los parámetros de rendimiento del ADC.

Otra dificultad con el proceso de geometría pequeña es el ruido 1/f. El ruido 1/f es el dominante a baja frecuencia y disminuye a partir de CC aproximadamente en un factor de 1/raíz cuadrada (frecuencia). A frecuencias más altas es el ruido blanco el que empieza a dominar el ruido 1/f en un punto denominado frecuencia de corte como muestra la figura 1. Si un diseñador desea mejorar el rendimiento mediante técnicas de compensación digital como el promediado o el sobremuestreo ha de asegurarse de solo muestrea valores que contengan ruido blanco y no ruido 1/f.

El problema para procesos con geometrías más reducidas respecto a geometrías más grandes es que la frecuencia de corte es más alta de modo significativo. Esto explica que las técnicas de filtrado digital, como el promediado o el sobremuestreo, no mejoren el rendimiento del sistema en sistemas con altas frecuencias de corte de 1/f. De hecho, en algunos casos, las técnicas de filtrado digital pueden reducir el rendimiento del sistema. La conclusión es que las limitaciones del proceso determinarán en última instancia el rendimiento que puede alcanzar el ADC.

Trazado del circuito integrado

Si el microcontrolador se coloca en el circuito integrado cerca del ADC, el rendimiento analógico del ADC se verá afectada de estad dos maneras:

• El microcontrolador de conmutación rápida introducirá ruido de conmutación y rebote de tierra en el circuito, sobre todo porque el tamaño se reduce a la superficie de un circuito integrado y ello hace que sea mucho más difícil abordar estos problemas.
• Se pueden aplicar técnicas de sincronización y gestión del reloj para minimizar estos efectos, pero la interacción de periféricos y eventos asíncronos seguirá influyendo sobre el rendimiento del ADC.

Temperatura

El tercer reto es uno de los peores enemigos del rendimiento analógico: la temperatura. El microcontrolador situado cerca del ADC funcionará como una fuente de temperatura variable que pasa de una alimentación activa de alta velocidad (caliente) a modos de reserva, reposo o hibernación (no tan caliente). Este cambio de temperatura tiene consecuencias negativas para los circuitos electrónicos (especialmente los analógicos). Para que el rendimiento sea predecible en un entorno de temperatura variable hay que añadir una circuitería de compensación de temperatura que aumenta a su vez el tamaño y el coste del sistema, un lujo que difícilmente se pueden permitir los ADC integrados.

Coste de las pruebas

Los microcontroladores son dispositivos digitales, por lo que se prueban en plataformas para pruebas digitales utilizando vectores de prueba. La solución de prueba digital está optimizada para comprobar los parámetros digitales en el tiempo más corto posible con el fin de comprobar el mayor número de unidades en la menor cantidad de tiempo.

Si estas plataformas tienen la capacidad de efectuar pruebas analógicas, a menudo se limitan a pruebas de bajo rendimiento. Esto dificulta las pruebas de rendimiento analógico debido a la falta de exactitud y al ruido en la plataforma de prueba. Por eso las especificaciones de los periféricos analógicos en los microcontroladores suelen estar “garantizadas por su diseño” o “garantizadas por su caracterización”. Estos comprobadores también sufren otras limitaciones:

• A menudo solo son capaces de comprobar las funciones analógicas, pero no el rendimiento analógico frente a la temperatura.
• Las limitaciones del comprobador limitan, por tanto, el rendimiento especificado del ADC (no se puede comprobar un dispositivo si las especificaciones del ADC son de
  1 MSPS y 12bit cuando el comprobador solo llega hasta 100 kSPS y 8 bit).
• No resulta práctico añadir la capacidad de comprobar funciones analógicas con precisión a una plataforma digital pues ello exigiría un incremento de un orden de magnitud en el coste de la prueba que conllevaría el incremento correspondiente en el coste del dispositivo.

ADC autónomos: factores del rendimiento

Tecnología de proceso

Para el ADC autónomo, dado que el ADC es el componente principal y el microcontrolador es un periférico del ADC, un diseñador de circuito integrados podría optar por recurrir a un proceso adecuado para el ADC, como un proceso de 180 nanómetros ya que ofrece componentes más grandes que se ajustan bien al ADC. Sin embargo, este proceso presenta un inconveniente fundamental que limitará el rendimiento del ADC.

Al utilizar un proceso con una geometría más grande, el diseñador no dispondrá de un proceso optimizado para procesamiento digital o comunicaciones en serie sino que tendrá que recurrir a un diseño analógico y técnicas de trazado del circuito con el fin de garantizar el rendimiento digital. Esta falta de densidad digital y la optimización de la velocidad incrementarán el coste del dispositivo y el rendimiento digital se verán limitados por las limitaciones del proceso.

Trazado del circuito integrado

Un ADC autónomo ofrece dos ventajas para manejar el ruido respecto al ADC integrado:

• No hay otros periféricos activos en el dispositivo que afecten al rendimiento analógico.
• El ruido de conmutación se puede manejar ya que las funciones analógicas se pueden llevar a cabo mientras el reloj está inactivo.

Temperatura

Una vez más, el peor enemigo del rendimiento analógico es la temperatura, pero los ADC autónomos ofrecen ventajas respecto a los ADC integrados en este caso porque:

• No hay una fuente de temperatura variable con el tiempo (como el microcontrolador) cerca del ADC.
• Dado que este proceso es adecuado para los circuitos analógicos, también se puede añadir fácilmente una circuitería analógica de compensación de temperatura para minimizar el efecto de las variaciones de temperatura.

Coste de las pruebas

Los ADC son dispositivos analógicos, por lo que se comprueban en plataformas para pruebas analógicas utilizando equipos analógicos de precisión; sin embargo, esto conlleva algunos factores que aumentan enormemente el coste de las pruebas.

A diferencia de las plataformas para pruebas digitales, cuya variación entre comprobadores están muy controlada, las analógicas tienden a experimentar fuertes variaciones entre tarjetas de carga, generadores de señales analógicas y sistemas de medidas analógicas. Esto tiende a incrementar el coste de las pruebas debido a la necesidad de calibración. Además, para garantizar el rendimiento analógico frente a la temperatura, las técnicas de compensación para circuitos analógicos a menudo requieren un ajuste de la temperatura en la prueba final para garantizar una baja deriva de temperatura.

Ahora que ya conocemos los factores que inciden sobre el rendimiento con señal mixta y analógica, veamos cómo afectan a la exactitud y la precisión.

Exactitud y precisión

Exactitud y precisión son dos términos que muchas veces se emplean indistintamente, pero sus significados son muy diferentes. La exactitud es la capacidad que tiene la medida de coincidir con el valor real y es necesaria cuando se intenta medir un valor determinado. La precisión es la capacidad de que una medida se reproduzca sistemáticamente o, en otras palabras, su repetibilidad. Cuando más precisa es una medida, más se pueden distinguir las diferencias más pequeñas.

Pensemos, como ejemplo, en una balanza. Si se coloca 1,000 onza de oro en una balanza, se mide tres veces y las medidas indican 1,001, 1,000 y 1,000, la precisión es alta (0,0005 onzas de desviación estándar) y la exactitud también es alta (0,03% de error al calcular el promedio). Si una balanza diferente proporciona lecturas de 1,018, 1,017 y 1,018 onzas, la precisión sigue siendo alta (0,0005 onzas de desviación estándar) pero la exactitud es más baja (1,8% de error).

Por tanto, ¿qué es más importante, la exactitud o la precisión? Ello depende de la aplicación, pero en muchos casos se necesitan ambas.

Exactitud

Para determinar si se necesita exactitud es importante comprender primero cómo se utiliza el sensor en la aplicación. Tomemos como ejemplo una medida de temperatura basada en un termistor NTC (Negative Temperature Coefficient). Lo primero que llama la atención en el gráfico de resistencia respecto a temperatura del NTC es la no linealidad del dispositivo, como se puede ver en la figura 2.

Si el diseñador solo necesita medir el NTC con una baja temperatura ambiente, entonces puede utilizar un ADC con una menor resolución. En cambio, si se necesita medir la temperatura en todo el rango hay que tener en cuenta el peor caso posible cuando la temperatura ambiente es más elevada hay que emplear un ADC con una resolución mucho mayor.

Para equipararlo a la exactitud del sistema hay que definir el rango de temperatura y calcular la exactitud de temperatura necesaria para ese rango. El rango de temperatura se convertiría en un rango de entrada de tensión analógica para el ADC y la exactitud sería la desviación más pequeña respecto a la entrada analógica medida que podría tolerar la aplicación.

Precisión

Pasemos ahora a la precisión. Lo ideal es que la precisión sea mejor que la exactitud. Si se utiliza una lectura de temperatura en el lazo de realimentación de un sistema, este lazo debería ser muy estable. Si la precisión es peor que la exactitud, el lazo de realimentación podría inestabilizarse.

Medir la exactitud y la precisión de un ADC

Las especificaciones del ADC que influyen más sobre la exactitud son la no linealidad integral, la no linealidad diferencial, el offset, la deriva del offset, la ganancia y la deriva de la ganancia.

Para determinar la exactitud hay que conocer las aportaciones de estas fuentes de error. De forma parecida, la precisión se define con el término ENOB (Effective Number of Bits), es decir, el número de bits efectivos. Indica la desviación para un conjunto de lecturas del ADC respecto a la media real. En otras palabras, un 68,3% (o una desviación estándar respecto a la media) de las lecturas del ADC pertenecerán al rango definido por ENOB.

Para ilustrarlo, volvamos al ejemplo del NTC.

Imaginemos que la salida del NTC está calibrada para ser lineal en todo el rango de temperatura para proporcionar 0V a -40°C y 2,5V a 85°C, y deseamos medir con una exactitud de 1°C. Una exactitud de 1°C en un rango de 125°C equivale a una exactitud del 0,8% para todo el rango. Supongamos que tenemos un ADC de 12 bit con un error total de 1 LSB y un rango de entrada de 2,5V, en cuyo caso la exactitud de medida del ADC será de 1/4096, el 0,024% o 2,5V/4096 bit o 610uV/bit, que es 33 veces mejor que la exactitud necesaria. Por tanto, teóricamente, un ADC de 12 bit debería ofrecer la suficiente exactitud para cumplir estos requisitos.

Observemos ahora con más detalle el ejemplo de un ADC integrado de 12 bit y 400 kSPS integrado en un microcontrolador nuevo.

En su ficha técnica, el TUE (total unadjusted error), es decir, el error total no ajustado, es del ±1,8% entre -40°C y 85°C. Un ADC de 6 bit con un error total de 1 LSB ofrece una exactitud del 1,6%. Por tanto, ¿qué ocurre con los otros 6 bit del ADC de 12 bit? No solo eso, sino que el error también puede ser positive o negativo, por lo que puede haber una variación del 3,6% o 90 mV en las lecturas del ADC. En este caso, el elevado error de ganancia respecto a la temperatura contribuye mucho a reducir la exactitud. Este gran error en la exactitud viene como resultado de las limitaciones inherentes a la tecnología de proceso. Hay que prestar mucha atención al leer las fichas técnicas de los ADC integrados ya que en algunos casos para los ADC integrados solo indican el rendimiento del ADC cuando se utiliza una referencia de tensión externa debido al ruido, la deriva y el bajo rendimiento de la referencia de tensión integrada, lo cual frustra el objetivo que tenía utilizar componentes analógicos integrados. Por tanto, la exactitud del ADC integrado no es lo bastante buena en este caso para cumplir nuestro requisito del 0,8%.

¿Qué pasa entonces con la precisión del ADC integrado? Si consultamos el dato de la precisión, el ENOB es de 11,1 bit que equivale a una resolución de unos 1,1 mV en la señal de entrada analógica de 2,5V. La precisión es unas 80 veces mejor que la exactitud. El resultado es que el ADC integrado tiene un error de 90,7 mV y una precisión de unos 1,1 mV rms. La exactitud del ADC integrado se puede mejorar utilizando una referencia externa, pero tal como se ha especificado el ADC se desconoce hasta qué punto la referencia externa mejorará la exactitud.

Evaluemos ahora un ADC autónomo como el MCP33141-10 de Microchip Technology.

A partir de la exactitud de este ADC de 12 bit y 1 MSPS calculamos el TUE y lo comparamos con el del ADC integrado. El TUE para el rango de temperatura de -40°C a 125°C equivale al ±0,06%, es decir, su exactitud es 30 veces mejor que en el ADC integrado y dentro de un rango más amplio de temperatura. Por lo que respecta a la precisión, el ADC autónomo tiene un ENOB de 11,8 bit, por lo que en este ejemplo la precisión del ADC autónomo es unas 4 veces mejor que su exactitud. El resultado es que el ADC autónomo tiene un error de 2,9 mV y una precisión de unos 0,7 mV rms.

En esta comparación, la precisión es muy similar en un ADC integrado y uno autónomo. No obstante, aunque el ADC integrado era preciso no pudo cumplir el requisito de exactitud del 1%. Solo el ADC autónomo pudo cumplir el requisito de exactitud de 1°C o el 0,8% respecto a la temperatura para un sensor de temperatura NTC.

Observaciones sobre la exactitud y la precisión del sistema

El problema que supone consultar solo la precisión del ADC es que no tiene en cuenta las variables en el sistema o los sistemas en los que se utiliza el ADC. Si el ADC es exacto y preciso, la salida del ADC será consistente en todos los dispositivos y bajo todas las condiciones, y no en un dispositivo determinado o con unas condiciones determinadas.

Por tanto, si no se necesitan exactitud o consistencia entre sistemas o para todas las condiciones bajo las que haya de funcionar un sistema, las ventajas de un ADC integrado serán su menor complejidad, tamaño y precio. La complejidad será menor con un ADC integrado ya que no habrá necesidad de desarrollar software para la conexión a un ADC externo ni habrá que tener en cuenta la colocación ni el enrutamiento de señales analógicas y digitales desde y hacia el ADC. La integración del ADC en el microcontrolador también disminuye el espacio total ocupado por la placa. Además el precio de un microcontrolador con un ADC integrado suele ser más bajo que la suma del precio del microcontrolador y un ADC autónomo.

Dicho esto, si se exigen precisión, exactitud y consistencia entre sistemas o para todas las condiciones de funcionamiento del sistema hay que ser muy cuidadoso al escoger el ADC. El diseñador no debe caer en la trampa de creer que la variación entre dispositivos será pequeña y que se pueden emplear técnicas de compensación digital para compensar la inexactitud o el rendimiento analógico inconsistente. Conviene recordar que las técnicas de compensación digital pueden disminuir la exactitud del sistema y aumentar la complejidad debido a las limitaciones inherentes del proceso.

También conviene comprobar que las especificaciones del ADC y la referencia de tensión indiquen no solo la exactitud sino también la exactitud frente a la temperatura. Si no se dispone de este dato para el ADC, existe un riesgo elevado de que las variaciones de proceso, fabricación, prueba y temperatura se manifiesten como errores en el sistema. Y aún peor, estas variaciones no son determinísticas: un dispositivo puede tener una significativa deriva de ganancia positiva y otro puede tener una significativa deriva de ganancia negativa. Estas grandes variaciones pueden provocar inestabilidad en el sistema.

La decisión entre un ADC integrado y uno autónomo se basa simplemente en valorar el coste, la exactitud y la consistencia del rendimiento. Una vez establecidas la exactitud o la consistencia del rendimiento, la selección se podrá realizar con facilidad.